专利名称：梳状高强高模聚乙烯解缠与挤出纺丝装置的制作方法众所周知，有机高分子的主链由于分子键的自由旋转，高分子链构象中，全是反式构象和全是左旁式构象出现的概率是很小的，绝大部分呈现的是反式与旁式之间的构象， 即既不是完全伸直也不是完全卷曲的构象，而且由于热运动，这些构象也在不断的振动，改 变中，使长链表现出或多或少的柔性，尤其是一些非刚性的高分子链，使其在总体上表现为 无规线团(见图1)，这是大多数线型非极性高分子的稳定构象，而众多的高分子链聚集在 一起，必然会相互缠结在一起。对于超高分子量的PE而言，首先考虑到PE分子的主链旋转位能很低，因此柔性很 大，是目前所有高聚物中柔性最大的一种，同时随着分子量的不断提高，单根分子链产生拓 扑缠结的数量迅速上升，因此，这样的高聚物材料虽然有熔点，但在熔融温度处，体系的粘 度仍然很大，以至于无法进行纺丝。凝胶纺丝是目前制造高模高强聚乙烯纤维最为成功的方法。它是将超高分子量的 柔性链高聚物材料以较低的浓度溶解在溶剂中，制成溶液的目的是利用溶剂在一定程度上 拆散相互缠结在一起的超高分子量分子链，同时防止产生新的缠结，在增大体系流动性，提 供体系可纺性的同时，提供给凝胶丝合适的初生丝结构，以利于超倍热拉伸的展开，形成高 结晶、高取向的高强纤维结构形态。而凝胶纺丝的关键在于超高分子量聚乙烯溶液的溶 解，大分子解缠状态的保持。溶解是将一定量的超高分子量聚乙烯原料以一定的浓度溶于相应的溶剂，经加热 和较长时间保温过程而造成的热分解，实现在一定程度上拆散相互缠结在一起的大分子 链，同时防止产生新的缠结，并通过如搅拌等方式的均勻混合和剪切促进这种行为，据有关 实验和论著，溶解有以下特性a.通过对溶液弹性模量的测定，可以了解到半稀溶液比浓溶液中大分子缠结的确 少很多。但半稀溶液的流变特性基本上与浓溶液相似，属于典型的假塑性流体。b.剪切速率对表现粘度的影响较大，也就是原液中的缠结点在较小剪切应力作用 下容易拆散，此特点要求必须减小剪切应力。c.柔性链大分子半稀溶液具有较高的弹性，施加较大剪切应力时容易发生弹性湍 流现象。所以，要提高纺丝速度和制造良好的初生纤维，首先必须从良好的溶解开始，同时 还要对相对分子质量及其分布、溶剂性质、纺丝温度、喷丝孔道长径比以及孔道进口处前椎 体角度等方面综合加以考虑。而溶解需要解决三大关键问题(1)经济高效生产与热氧化降解矛盾问题由于溶液中的缠结点施加较小的剪切 应力更有利于拆散，而施加较大剪切应力时又容易发生弹性湍流现象，所以应该采用较小 的剪切应力。而超高分子量聚乙烯在高温与氧气接触易发生热氧化降解，导致分子量急剧下降及色泽变黄，溶解速度过慢，不但容易产生热降解而且显然无法进行高效的的规模生 产。因而，必须通过特殊设计的溶解设备以及温度、时间等工艺条件的控制来抑制和尽量避 免这种现象。(2)脱泡问题溶解过程中和溶解结束后，纺丝原液的粘度很高，但纺丝原液中存 在大量的气泡，气泡的存在会使纺出的凝胶丝条成为气泡丝，导致牵伸时丝条断裂，无法得 到性能合格的成品纤维，因此要对纺丝原液进行脱泡。 (3)溶液输送问题溶解结束后，纺丝原液的粘度很高，因而输送非常困难，方便 的输送方式也是必须的。综上所述溶解和解缠是制造高品质初生丝的关键，而这个过程一般要通过溶解 设备的特殊设计以及温度、时间等工艺条件的控制来抑制和尽量避免这种现象，同时，还必 须保证高粘度的溶液稳定顺利的挤出。美国Allied公司专利US4，413，1109，日本可乐丽公司的JP. 86-73743，中国专利 97106768为代表的现有技术中，多以双螺杆(包含为提高溶解效率而采用的如溶解釜、双 螺旋混合器、高速的鼓式混和器等辅助溶解设备)为主要溶解挤出手段，这些方式存在以 下问题a)双螺杆脉动问题作为过去主要用于塑料行业的双螺杆挤出机，虽然有良好的 混炼效果，但它所特有的脉动特点，在纺丝时压力会产生脉动变化，从而极大地影响纺丝的 稳定性和纺丝质量的下降。b)高效经济生产问题由于双螺杆的不可能做的无限长，因而，若要提高产量，就 要加快速度或增加其他的辅助溶解手段，而加快速度，就会导致溶液在螺杆中的停留时间 缩短，导致溶解的不足，从而无法制造合格的初生丝。如果降低溶解的速度，就会大大降低 产量，无法实现经济生产。c)混炼元件增加带来的问题为保证物料能够经高效混炼达到充分均一化，必须 增加捏合块、反螺纹块以及其他混炼元件的数量，使物料在双螺杆挤出机中的停留时间加 长，但反螺纹块数量加多会影响挤出机的输出能力和机头压力，更重要的是高分子量聚乙 烯原料在螺杆中停留的时间过长，会导致降解过大和颜色变黄，影响成品纤维的性能。美国Allied公司专利US4，413，1109(见图2)，日本可乐丽公司的 JP. 86-73743 (见图3)等专利均采用双螺杆为溶解和挤出方式纺丝，为了弥补双螺杆的溶 解的不足，即料液在双螺杆挤出机中的停留时间较为短暂，需增加双螺旋混合器，高速鼓式 混合器，溶解槽等装置，目的是加快溶解的均勻性和溶解效率，从而获得较大产能，实现经 济生产的目地。由于这些辅助的溶解措施，设备复杂，成本高，难以连续进行，脱泡困难，经 溶解后的溶液由于粘度非常大，输送也是很大的困难。中国专利97106768 (见图4)采用大长径比的双螺杆一次完成从悬浮液到溶胀、均 勻溶解、脱泡、挤出的方案，事实上工业生产过程中双螺杆不可能制造的特别长，而超高分 子量聚乙烯在溶剂中的溶解过程可分为二个阶段溶胀和溶解。在溶胀阶段，主要表现为溶 剂向超高分子量聚乙烯中渗透与扩散，它是溶解混勻的关键。然而，溶胀是一个缓慢过程， 原因在于高结晶的超高分子量聚合体阻碍了溶剂的渗透。如果混合液在螺杆中停留的时间 短，则可能导致溶胀溶解不足，无法制造高品质的初生丝，如果停留时间太长，则可能导致 溶液的氧化降解，同时也会极大地影响产量，无法达到经济生产。中国专利200910045198. 4提出利用与本发明相同的梳状解缠溶解装置解决以上 问题，但把拥有较好共混功能的双螺杆作为挤出机使用，会同样带来纺丝过程中的脉动，影 响纺丝质量。
本发明的目的是解决现有技术中采用双螺杆为溶解和挤出方式纺丝所存在的上 述问题，提供一种带有梳状解缠挤出装置的超高分子量聚乙烯溶液的溶解和解缠纺丝装 置。本发明设计带有梳状解缠装置的高强高模聚乙烯溶解与纺丝装置，包括溶胀釜、过渡 罐、双螺杆挤出机、喷丝板、冷凝池、络筒装置，其特征在于在双螺杆挤出机和喷丝板之间 连接有一梳状解缠装置，双螺杆挤出机的输出口接梳状解缠装置的输入口，梳状解缠装置 的输出口接喷丝板的输入口。梳状解缠装置由可以调整速度动力组件、机筒及螺杆组成，在 机筒上有可以分区控制温度的加热圈。在螺杆的杆体上和螺顶间密布有螺旋状锥针形结 构。梳状解缠装置的机筒尾部有排气孔。本发明的优点是采用了超高分子量聚乙烯在烷烃 类溶剂中进行适度溶胀，制得超高分子量聚乙烯的悬浮液，连续、定量地喂入双螺杆挤出机 中完成预溶解、脱泡过程，然后喂入梳状解缠挤出装置，通过梳状解缠挤出装置进行快速的 溶解解缠，然后加压挤出，经过纺丝组件及冷却，形成合格的絲条，从而更为简捷地实现连 续制备均勻的纺丝溶液过程。图1为有机高分子的主链的示意图，图2——图4为现有技术的结构示意图，图5为本发明的结构示意图，图6为本发明的梳状解缠挤出装置的结构示意图，图7为图6的A部放大图。下面结合实例对本发明作详细说明。



本发明涉及一种带有梳状解缠装置的高强高模聚乙烯溶解与纺丝装置，包括溶胀釜、过渡罐、双螺杆挤出机、喷丝板、冷凝池、络筒装置，其特征在于在双螺杆挤出机和喷丝板之间连接有一梳状解缠装置，双螺杆挤出机的输出口接梳状解缠装置的输入口，梳状解缠装置的输出口接喷丝板的输入口。梳状解缠装置由可以调整速度动力组件、机筒及螺杆组成，在机筒上有可以分区控制温度的加热圈。在螺杆的杆体上和螺顶间密布有螺旋状锥针形结构。梳状解缠装置的机筒尾部有排气孔。本发明的优点是通过梳状解缠挤出装置进行快速的溶解解缠，然后加压挤出，经过纺丝组件及冷却，形成合格的丝条，从而更为简捷地实现连续制备均匀的纺丝溶液过程。